四、電力電子裝置帶來的危害及對策

電力電子裝置中的相控整流和不可控二極管整流使輸入電流波形發生嚴重畸變,不但大大降低了系統的功率因數,還引起了嚴重的諧波污染。

另外,硬件電路中電壓和電流的急劇變化,使得電力電子器件承受很大的電應力,并給周圍的電氣設備及電波造成嚴重的電磁干擾(EM1),而且情況日趨嚴重。許多國家都已制定了限制諧波的國家標準,國際電氣電子工程師協會(IEEE)、國際電工委員會(IEC)和國際大電網會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標準。我國政府也制定了限制諧波的有關規定[5]。

(一)諧波與電磁干擾的對策

1、諧波抑制

為了抑制電力電子裝置產生的諧波,一種方法是進行諧波補償,即設置諧波補償裝置,使輸入電流成為正弦波[3]。

傳統的諧波補償裝置是采用IC調諧濾波器,它既可補償諧波,又可補償無功功率。其缺點是,補償特性受電網阻抗和運行狀態影響,易和系統發生并聯諧振,導致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀。此外,它只能補償固定頻率的諧波,效果也不夠理想。

電力電子器件普及應用之后,運用有源電力濾波器進行諧波補償成為重要方向。其原理是,從補償對象中檢測出諧波電流,然后產生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流,從而使電網電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,且補償特性不受電網阻抗的影響。

大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術:將多個方波疊加以消除次數較低的諧波,從而得到接近正弦的階梯波。重數越多,波形越接近正弦,但電路結構越復雜。小容量變流器為了實現低諧波和高功率因數,一般采用二極管整流加PWM斬波,常稱之為功率因數校正(PEC)。典型的電路有升壓型、降壓型、升降壓型等。

2、電磁干擾抑制

解決EMI的措施是克服開關器件導通和關斷時出現過大的電流上升率di/dt和電壓上升率du/dt,目前比較引入注目的是零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)電路。方法是:

(1)開關器件上串聯電感,這樣可抑制開關器件導通時的di/dt,使器件上不存在電壓、電流重疊區,減少了正關損耗;

(2)開關器件上并聯電容,當器件關斷后抑制du/dt上升,器件上不存在電壓、電流重疊區,減少了開關損耗;

(3)器件上反并聯二極管,在二極管導通期間,開關器件呈零電壓、零電流狀態,此時驅動器件導通或關斷能實現ZVS、ZCS動作。

目前較常用的軟件開關技術有部分諧振PWM和無損耗緩沖電路。

(二)功率因數補償

早期的方法是采用同步調相機,它是專門用來產生無功功率的同步電機,利用過勵磁和欠勵磁分別發出不同大小的容性或感性無功功率。然而,由于它是旋轉電機,噪聲和損耗都較大,運行維護也復雜,響應速度慢。因此,在很多情況下已無法適應快速無功功率補償的要求。

另一種方法是采用飽和電抗器的靜止無功補償裝置。它具有靜止型和響應速度快的優點,但由于其鐵心需磁化到飽和狀態,損耗和噪聲都很大,而且存在非線性電路的一些特殊問題,又不能分相調節以補償負載的不平衡,所以未能占據靜止無功補償裝置的主流。

隨著電力電子技術的不斷發展,使用SCR、GTO和IGBT等的靜止無功補償裝置得到了長足發展,其中以靜止無功發生器最為優越。它具有調節速度快、運行范圍寬的優點,而且在采取多重化、多電平或PWM技術等措施后,可大大減少補償電流中諧波含量。更重要的是,靜止無功發生器使用的抗器和電容元件小,大大縮小裝置的體積和成本。靜止無功發生器代表著動態無功補償裝置的發展方向。

五、結束語

我們相信，電力電子技術將成為21世紀重要的支柱技術之一，變頻技術在電力電子技術領域中占有重要的地位，近年來在中壓變頻調速和電力牽引領域中的發展引人注目。隨著全球經濟一體化及我國加人世界貿易組織，我國電力電子技術及變頻技術產業將出現前所未有的發展機遇。

參考文獻:

[1]周明寶.電力電子技術[M].北京:機制工業出版社,1985.

[2]陳堅.電力電子學-電力電子變換和控制技術.北京：高等教育出版社,2002.

[3]王兆安黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2003.

[4]陳國呈,周勤利.變頻技術研究[J].上海大學自動化學院學報,1995(6):23-26.

[5]王正元.面向新世紀的電力電子技術電源技術應用，2001論文關鍵詞:電力電子器件;變頻技術;諧波;功率因數

論文摘要:介紹了電力電子器件和變頻技術的發展過程，以及變頻技術在家用電器的應用,分析了變頻技術的應用也帶來了諧波、電磁干擾和電源系統功率因數下降等問題。提出了相關的諧波抑制方法及提高電源系統功率因數的措施。